MSS50移動模架吊掛系統有限元分析

蔡思文,王斌華,秘嘉川

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064;2.山東恒堃機械有限公司,山東 濟南 250014)

0 引言

移動模架造橋機是一種利用墩柱或承臺為支承,逐跨完成混凝土箱梁澆筑的專業制梁平臺設備,具有機械化程度高、跨越能力強、施工周期短、不影響橋下交通等特點[1]。移動模架造橋機易于控制澆筑工況下混凝土箱梁的線性變形,保障了施工過程的質量和安全性,因而在公路、鐵路及城市高架橋建設中得到了廣泛應用[2]。

移動模架造橋機屬于大型非標設備,對其結構的安全性要求高[3]。目前有很多關于移動模架施工安全的分析研究,但由于其結構龐大,施工狀態下整體受力較為復雜,移動模架造橋機發生事故的情況也時有發生[4-6]。因此,有必要在投入使用前對移動模架造橋機進行強度、剛度及穩定性分析,以確保施工質量和人員安全。

1 移動模架吊掛系統組成及作用

MSS50上行式移動模架結構形式如圖1所示,主要包括主梁系統、吊掛系統、模板系統、液壓系統及移位調整系統五大部分,其中,吊掛系統主要由上橫梁、下掛梁、橫移機構及鎖定機構等結構組成。

圖1 上行式移動模架縱向視圖

在移動模架合模澆筑工況下(圖2(a)),混凝土梁,內、外模板以及風壓、人群、振搗力和機具自重等載荷通過下掛梁和吊桿傳遞至上橫梁,再由主梁通過支腿傳遞到已制成箱梁和橋墩墩頂。在開模過孔工況下(圖2(b)),移動模架下落開模,下掛梁支撐外模板,上橫梁上的橫移機構帶動下掛梁及外模板橫向開啟到指定位置,使其可以通過橋墩并縱移過孔至下一施工位。由上橫梁和下掛梁等結構組成的吊掛系統不僅是在移動模架合模澆筑工況下將混凝土載荷傳遞至主梁的重要傳力系統,也是在開模過孔工況下支撐外模板過孔行走的關鍵撐持系統。因此,有必要對移動模架吊掛系統進行有限元仿真分析,以校核其結構是否滿足強度、剛度及穩定性要求。

圖2 上行式移動模架結構示意圖

2 移動模架吊掛系統有限元模型建立

2.1 ANSYS有限元模型建立

如圖2所示,為了方便運輸和安裝,移動模架的下掛梁一般會采取分段處理,安裝時采用高強螺栓進行連接,掛梁各部分連接處不發生相對滑動,在有限元模型建立時可將其整體建模,實現模型簡化。該移動模架吊掛系統的主要構件包括上橫梁、下掛梁、上橫梁滑座、吊桿及精軋螺紋吊梁等。由于移動模架主要是鋼板焊接組成的箱梁結構,有限元模型中的上橫梁、下掛梁、上橫梁滑座及精軋螺紋吊梁采用板殼單元SHELL181模擬,能夠保證有限元分析結果的精確性及可靠性。油缸、螺旋頂旋桿及吊桿采用梁單元BEAM188模擬,連接上橫梁與下掛梁的銷軸采用實體單元SOLID185進行模擬。

移動模架吊掛系統合模工況有限元模型如圖3(a)所示,共劃分板殼單元115884個,梁單元982個,實體單元1794個。吊掛系統開模工況有限元模型如圖3(b)所示,共劃分板殼單元114589個,梁單元62個,實體單元1560個。

圖3 移動模架吊掛系統有限元模型

2.2 載荷施加形式

移動模架施工階段橋梁首跨、標準跨及尾跨的跨度不同,混凝土箱梁也是變截面結構,應當選取吊掛系統承載最大工況進行有限元分析。該上行式移動模架選取標準跨50.55 m混凝土箱梁澆筑時縱橋向第10根下掛梁為分析對象,進行吊掛系統合模和開模工況下的強度、剛度及穩定性分析。

吊掛系統有限元模型自重可通過ANSYS軟件自動計算,合模澆筑工況下,鋼筋混凝土箱梁,內、外模板以及風壓、人群、振搗力和機具自重等以外載荷的形式施加到有限元模型上。由于混凝土澆筑時為流體,會對外模板側模產生側向壓力并通過撐桿傳遞到下掛梁,因此以梯度載荷的形式模擬流態混凝土對外模板側模壓力并等效為橫向和豎向載荷,以集中載荷的形式施加到有限元模型上,外模板底模與下掛梁接觸位置的受力以均布載荷形式施加到有限元模型上[7],如圖3所示。

2.3 約束條件

該移動模架主梁通過橫梁螺旋頂支撐著上橫梁,且螺旋頂與主梁和上橫梁接觸位置都采用螺栓連接。有限元模型中在對應位置可采用板殼單元建立橫梁螺旋頂模型,有限元模型中螺旋頂頂面與上橫梁連接面對應的所有節點進行耦合,螺旋頂底座進行位移和轉動自由度的全約束(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ),約束條件下的有限元模型如圖3所示。

3 有限元計算結果

3.1 吊掛系統合模工況強度與剛度計算

移動模架校核普遍采用許用應力法進行強度計算[8-10],因其主要為塑性材料,應力計算公式為:

式中:σ為計算應力;[σ]為許用應力;σS為材料屈服極限;n為安全系數。

移動模架合模工況吊掛系統有限元模型VonMises應力云圖見圖4,模型最大應力為:σmax=204 MPa,位于上橫梁與右側橫梁螺旋頂接觸位置的內側筋板。吊掛系統模型最大豎向變形為:UY=33.922 mm,位于下掛梁最底端中部,豎向變形云圖見圖5。

圖4 合模工況VonMises應力云圖

圖5 合模工況豎向變形云圖

移動模架吊掛系統主要采用材料為Q355B的鋼板焊接而成,其材料許用應力為:[σ]=235 MPa,故吊掛系統滿足合模工況強度要求。在橋梁混凝土箱梁澆筑過程中,移動模架吊掛系統對最危險工況下的強度限制有其要求,對澆筑工況下的最大豎向變形量也有嚴格的限制。工程項目一般要求對混凝土澆筑工況下的橫梁撓跨比小于1/400,即吊掛系統受載時其撓度容許值應小于L/400=59 mm。如圖5所示,合模澆筑工況下吊掛系統最大豎向變形為33.922 mm,故吊掛系統最大豎向變形滿足合模工況剛度要求。吊掛系統包含結構較多,限于篇幅不再逐一展示,其有限元模型各結構的最大應力和變形如表1所示。

表1 合模工況各結構最大應力及變形

3.2 吊掛系統開模工況強度與剛度計算

移動模架開模工況吊掛系統有限元模型VonMises應力云圖見圖6,模型最大應力為:σmax=197 MPa,位于上橫梁與左側橫梁螺旋頂接觸位置的外側腹板。吊掛系統開模工況最大豎向變形為:UY=55.03 mm,位于下掛梁最底端,豎向變形云圖見圖7。計算結果表明吊掛系統在開模工況下滿足結構強度和剛度的要求。

圖6 開模工況VonMises應力云圖

圖7 開模工況豎向變形云圖

移動模架開模工況下吊掛系統各結構的最大應力和變形如表2所示。

表2 開模工況各結構最大應力及變形

3.3 吊掛系統穩定性計算

移動模架的吊掛系統主要由鋼板焊接而成,當應力接近臨界值時,上橫梁及下掛梁容易出現垂直于中面的變形,在靜力荷載作用下會有失穩的風險,因此有必要對其結構進行穩定性分析,即計算結構失穩情況下的臨界載荷。可以采用ANSYS軟件自帶的屈曲穩定性計算模塊進行移動模架吊掛系統的穩定性計算。

如圖8(a)所示,移動模架吊掛系統合模工況一階失穩變形發生在下掛梁底端的右側腹板位置,一階屈曲特征值為7.378>1.5,故合模工況下吊掛系統滿足穩定性要求。開模工況下一階失穩發生在上橫梁右側腹板位置,一階屈曲特征值為11.011,滿足開模工況穩定性要求,如圖8(b)所示。

圖8 吊掛系統一階失穩變形云圖

4 結語

1)通過ANSYS軟件建立移動模架吊掛系統合模和開模工況下的有限元模型,分析其在不同工況下的應力分布及變形,計算結果表明移動模架吊掛系統滿足強度和剛度的要求。

2)對移動模架吊掛系統兩種工況進行了屈曲穩定性分析,得到吊掛系統不同工況下最先發生失穩的位置,由一階屈曲特征值表明移動模架吊掛系統滿足結構穩定性要求。

3)利用ANSYS軟件對移動模架吊掛系統進行的強度、剛度及穩定性分析,可為后續其他模架設計及施工提供參考。